CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG potx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
CHƯƠNG 2
CHƯƠNG

2
ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT
CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
1. Công
2hiệ l
2
. N
hiệ
t
l
ượng
3. Nhiệt dung riêng
4. Định luật nhiệt động thứ nhất
1
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
5. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Dạng năng lượng cơ bản tham gia vào quá trình nhiệt động:
- Công
Nhiệtlượng
-
Nhiệt

lượng
Công và nhiệtlượng trao đổi giữa chấtmôigiới
v
à

môi trườn
g
tr
ạ
n
g
thái củach
ấ
tmôi
g
ạ g
giớibị thay đổi
2
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
1. Côn
g
là
g
ì?
gg
- Công W được xem là tích số giữa lực F và đoạn đường dịch chuyển dx theo chiều
tác động của lực.


2
1
dxFW
Trong hệ thống nhiệt động: công là lượng năng lượng đi
qua bề mặt ranh giới có khả năng nâng cao một vật nào đó

mNJJoule


)(
Power
J

3
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
)(
sec
W
Wat
t
J
W



Example of work crossing the boundary of a system.
Example of work crossing the boundary of a system
Example

of

work

crossing

the

boundary

of

a

system
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
 Công giãn nở hay công nén trong hệ kín
d
x
P
1
(b)
(a)
d
x
Piston
1' 2'
v
2
(a)
A: diện tích piston
A:

diện

tích

piston
p: áp suất của chất môi giới
V: thể tích chất môi giới
Wtt = diện tích (122’1’)
Lực tác động lên bề mặt piston: F = p.A
Công tạo nên khi piston dịch chuyển một đoạn dx:
dV.
p
dx.A.
p
dx.FW
tt





2
V
dV
W
5
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


1
V
tt
dV
.

p
W
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Biểudiễntrênđồ thị p
-
v
P
1
(b)

2
V
Biểu

diễn

trên

đồ

thị

p
-
v
1
'
2
'
2

(b)
(a)


2
1
V
V
tt
dV.
p
W
1
2
v
Wtt = diện tích (122’1’)
Nhận xét :
Do áp suất tuyệt đối p luôn luôn dương, nên :
dv > 0  W > 0 : hệ dãn nở thì sinh công.
dv < 0  W < 0 : h
ệ
nén é
p
thì nh
ậ
n côn
g
.
ệ p ậ g
Từ cách biểu diễn công dãn nở trên đồ thị pv, nếu tiến hành các quá trình khác nhau

nhưng có cùng điểm đầu 1 và điểm cuối 2 thì công sinh ra sẽ không giống nhau. Rõ ràng
côn
g
dãn nở
p
h
ụ
thu
ộ
c vào
q
uá trình. Điều nà
y
chứn
g
minh cho l
ập
lu
ậ
n côn
g
là hàm của
6
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
g p ụ ộ q y g ập ậ g
quá trình.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
 Công trong hệ thống hở
- Công lưu động
Công sinh ra do môi chất chuyển động khi áp suất thay đổi

ố
G: lưu lượng kh
ố
i lượng
F : lưu lượng thể tích
v: thể tích riêng
F: diện tích tiết diện ngang
 :vận tốc dòng khí
Công lưu động trong trường hợp chất khí di chuyển trong các ống thỏa các điều kiện sau:
•Chất khí lưu động liên tục và ổn định.
•
Tiếtdiện ngang của ống thay đổimột cách liên tục.
Tiết

diện

ngang

của

ống

thay

đổi

một

cách

liên

tục.
• Các thông số trạng thái của chất khí trên cùng một tiết diện ngang là như nhau.
const
F
G

7
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
const
v
G


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Xét 2 tiết diện (I) và (II) rất gần nhau
ầ
Xét công lưu động mà ph
ầ
n khí giơí hạn giữa chúng sinh ra:
Phần công khối khí phải tao ra để đẩy khối khí phía sau nó :
(p + dp).(F + dF).(  + d)
Phần công mà nó nhận được từ khối khí phía trước nó :
pF
Vậynóđãnhận đượcmột công
Vậy

nó

đã

nhận

được

một

công
dW
lđ
= (p + dp).(F + dF).(  + d) - pF
Bỏ qua các vi phân cấp hai và cấp ba, ta có
dW
lđ
= d(pF

) = d(pGv)
dW
lđ
= G.d(pv)
Nếu xét cho một đơn vị khối lượng
dw
lđ
= d(pv)
Vậy trong một quá trình 1  2 nào đó thì
8
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
w
lđ

= p
2
v
2
–p
1
v
1
.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Công kỹ thuật
Trong các máy móc thiếtbị, khi môi chất tạora
đượcmột công dãn nở thì nó phảitiêutốnmột
công lưu động và lượng công còn lại để chúng
ó
hể
ử
d
đ
i
là
ô
kỹ
h ậ
ta c
ó
t
hể
s
ử

d
ụng
đ
ượcgọ
i
là
c
ô
ng
kỹ
t
h
u
ậ
t.
dw
kt
= dw – dw
ld
=
pdv
–
d(pv)

pdv

d(pv)
= pdv – pdv – vdp

2

p
biểu diễn quá trình này trên đồ thị pv:
w
=diện tích (122’’1’’)
dw
kt
= – vdp



1
p
kt
vdpw
Nhận xét :
w
kt
=

diện

tích

(122’’1’’)
Tượng tự, công kỹ thuật cũng phụ thuộc vào quá trình.
Dấu của w
kt
trái với dấu của dp

d

p
<
0


w
kt
>
0
:
khi
dã
n n
ở

(áp

suấ
t
g
i
ả
m
)
thì
s
inh
cô
n
g

k
ỹ
th
uậ
t
.
9
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
d
p
0
w
kt
0
:dãở (áp suấ g ả )scôgỹ uậ .
d
p
> 0

w
kt
< 0 : khi nén ép (áp suất tăng) thì nhận công kỹ thuật.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
2. Nhi
ệ
t lư
ợ
n
g
là

g
ì?
ệ ợ gg
-Nhiệt lượng là lượng năng lượng đi xuyên qua bề mặt
ranh giới
khi giữachất môi giớivàmôitrường có sự chênh
ranh

giới

khi

giữa

chất

môi

giới

và

môi

trường

có

sự

chênh

lệch nhiệt độ.
-
Là một hàm quá trình



2
Q
Q
Là

một

hàm

quá

trình
Q: cho G kg chất môi giới



1
21
Q
Q
Q:

cho

G

kg

chất

môi

giới
q: cho 1kg chất môi giới
Ta qui ước :
ế
Q > 0 : n
ế
u đó là nhiệt do hệ nhận vào.
Q < 0 : nếu bản thân hệ tỏa nhiệt.
Đơn v
ị
: Joule
(
J
)
10
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
ị ()
Các loại trao đổi nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
An example showing the difference between heat and work

An

example

showing

the

difference

between

heat

and

work
.
11
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
The effects of heat addition to a system that also can give out work.
(Internal Combustion Engine)
12
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Phương pháp tính nhiệt lượng
Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entropy
δq = Tds
Tính nhiệtlượng theo sự thay đổi nhiệt độ

Tính

nhiệt

lượng

theo

sự

thay

đổi

nhiệt

độ
δq
=
Cdt
δq

Cdt
13
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
 Nhi
ệ
t dun
g

riên
g
ệ gg
δq = Cdt
δq : nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường.
ổ ấ
Trong đó :
dt : lượng thay đ
ổ
i nhiệt độ của ch
ấ
t môi giới.
Rõ ràng dq và dt tỷ lệ qua hệ số C, được gọi là nhiệt dung riêng (NDR).
NDR là lư
ợ
n
g
nhi
ệ
t c
ầ
n cun
g
c
ấp
để đưa
ợ g ệ g p
một đơn vị vật chất lên 1 độ trong một
quá trình nào đóvàngượclại
14

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
quá

trình

nào

đó

và

ngược

lại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Phân loại nhiệt dung riêng:
Theo đơn vị đo lường vật chất:
NDR khốilượng
C(J/kgđộ): khi đơnvị đolường vậtchấtlàđơnvị khốilượng (kg)
-
NDR

khối

lượng
,
C

(J/kg
.

độ):

khi

đơn

vị

đo

lường

vật

chất

là

đơn

vị

khối

lượng

(kg)
.
- NDR thể tích, C’ (J/m3tc.độ): khi đơn vị đo vật chất là đơn vị thể tích (m3, ở đktc).
- NDR mol, C


(J/kmol.độ): khi đơn vị đo vật chất là 1 Kmol.

Giữa 3 loại NDR này có mối quan hệ sau:
C

=

C = 22,4.C’
Theo quá trình thay đổi nhiệt độ của môi chất
-
NDR đẳng áp
C
: khi quá trình thay đổi nhiệt độ là đẳng áp
-
NDR

đẳng

áp
,
C
p
:

khi

quá

trình

thay

đổi

nhiệt

độ

là

đẳng

áp
.
C
p
, C’
p
, C
p
- NDR đẳng tích, C
v
: khi quá trình thay đổi nhiệt độ là đẳng tích.
15
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
C
v
, C’
v

, C
v
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
* NDR đẳng áp và NDR đẳng tích quan hệ như sau :
C
k
C
C
v
p

Với k: hệ số đoạn nhiệt.
- Ở khí thực, giá trị k phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ
của chất khí.
- Ở KLT, k chỉ phụ thuộc bản chất (cấu tạo phân tử) của
ch
ấ
t khí.
16
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
 Bảng số liệu giá trị thực nghiệm
ố ấ
Khí lý tưởng (µc)
p
, kcal/kmol.độ (µc)
v
, kcal/kmol.độ k
Loại có 1 nguyên tử
5

3
16
Bảng NDR kmol của một s
ố
loại ch
ấ
t khí (kcal/kmol.độ)
Loại

có

1

nguyên

tử
5
3
1
,
6
Loại có 2 nguyên tử 751,4
Loại có 3 nguyên tử
9
7
13
Loại

có

3

nguyên

tử
9
7
1
,
3
Khí lý tưởng (µc)p, kJ/kmol.độ (µc)v, kJ/kmol.độ k
Bảng NDR kmol của một số loại chất khí (kJ/kmol.độ)
Loại có 1 nguyên tử 20,9 12,6 1,6
Loại có 2 nguyên tử 29,3 20,9 1,4
Loại có 3 nguyên tử 37,7 29,3 1,3
Nhóm 1 nguyên tử: gồm các khí như Ar, Ne, He,…
h ồ kh h
hkh
17
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
N
h
óm 2 nguyên tử: g
ồ
m các
kh
í n
h
ư O
2

, N
2
, H
2
, CO, K
h
ông
kh
í,…
Nhóm 3 nguyên tử: gồm các khí như CO
2
, SO
2
, CH
4
, C
2
H
2
, C
2
H
4
,…
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp?
-Nhiệt lượng dùng để làm cho toàn bộ hỗn hợp biến đổi 1 độ bằng tổng nhiệt
lượng dùng để làm cho mỗi thành phần biến đổi 1 độ.




n
1i
viivnn2v21v1v
CgCg CgCgC



n
1
i
piipnn2p21p1p
CgCg CgCgC

1
i

n



1i
iihh
C
g
C
18
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Đ

ị
nh lu
ậ
t nhi
ệ
t đ
ộ
n
g
thứ nh
ấ
t
ị ậ ệ ộ g
“ Nhiệt năng không tự sinh ra và cũng không biến mất đi mà chỉ chuyển hóa
từ ád ă l khá
(h thà h hữ d ă l khá ) Một
từ
c
á
c
d
ạng n
ă
ng
l
ượng
khá
c
(h
ay

thà
n
h
n
hữ
ng
d
ạng n
ă
ng
l
ượng
khá
c
)
.
Một

lượng nhiệt năng mất đi sẽ sinh ra một lượng tương đương dạng năng lượng dưới
các dạng khác và ngược lại “.
Định luật bảo toàn năng lượng
WQE



Với hệ nhiệt động
12
UUUE






19
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
X
ét m
ộ
t h
ệ
nhi
ệ
t đ
ộ
n
g
:
ộ ệ ệ ộ g
-G kgmôi chất,
-Biến đổi từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 nào đó,
Có ộthiệtl
Q
th i ( ó thể hậ h ặ ất)
-
Có
m
ột
n
hiệt

l
ượng
Q
th
am g
i
a
(
c
ó

thể
n
hậ
n
h
o
ặ
c m
ất)
,
-Và một công ngoài W tác động vào môi trường ( có thể cho hoặc nhận).
Nếu ở trạng thái 1 và 2, hệ nhiệt động có năng lượng toàn phần tương ứng bằng U
1
và U
2
thì:
Đ
ị

nh lu
ậ
t bảo toàn và biến hóa năn
g
lư
ợ
n
g
ta có
p
hươn
g
trình cân bằn
g
:
ị ậ g ợ gpg g
Q = (U
2
–U
1
) + W
Nếu xét trong một quá trình vô cùng nhỏ, ta có :
dQ = dU + dW
Hoặc xét cho 1 kg chất môi giới trong 1 quá trình vô cùng nhỏ :
20
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
dq = du + dw
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Xét đ
ị

nh lu
ậ
t nhi
ệ
t đ
ộ
n
g
1 tron
g
h
ệ
kín
ị ậ ệ ộ ggệ
Do không có trao đổi về chất giữa hệ và môi trường:
dw
= dw = pdv
dw
n
=

dw

=

pdv
Do đó, với hệ kín phương trình Định luật nhiệt động 1 có dạng :
dq
=
du

+
pdv
dq

du

pdv
Biến đổi bằng cách thêm vào pt trên vdp và –vdp, ta có :
dq = du + pdv + vdp – vdp
= du + d(pv) – vdp
= d(u + pv) – vdp
Nếu đặt i = u + pv, ta có :
dq = di – vdp
21
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Xét đ
ị
nh lu
ậ
t nhi
ệ
t đ
ộ
n
g
1 tron
g
h
ệ

h
ở
ị ậ ệ ộ ggệ
Do có trao đổi về chất giữa hệ và môi trường nên môi chất phải tiêu tốn công
lưu động và ta chỉ còn có thể sử dụng phần còn lại. Tức công ngoài trong trường hợp này
ấ ằ
x
ấ
p xỉ b
ằ
ng công kỹ thuật
dw
kt
= -vdp
Đối chiếu với d
q
= di
–
vd
p
ta đư
ợ
c:
q
p
ợ
dq = di + dw
kt
Nếu công kỹ thuật này chỉ làm thay đổi động năng chất môi giới, ta có
d

2
d
2
2
d
dw
2
kt


2
d
didq
2


Đối với khí lý tưởng
Riêng đốivớiKLT ngườitađãchứng minh được
Riêng

đối

với

KLT
,
người

ta

đã

chứng

minh

được
du = C
v
.dT; di = C
p
.dT
Nên các biểu thức viết cho KLT có thêm các dạng sau
22
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
dq = Cv.dT + pdv
dq = Cp.dT – vdp
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Một ố át ì h hiệt độ ơ bả ủ khí lý t ở
Một
s
ố
qu
á

t
r
ì
n
h

n
hiệt

độ
ng c
ơ

bả
n c
ủ
a
khí

lý

t
ư
ở
ng
Mục đích việckhảosátphầnnàynhằm:
Mục

đích

việc

khảo

sát

phần

này

nhằm:
- Tìm quy luật của quá trình, thể hiện bằng các phương
trình quá trình
trình

quá

trình
.
- Tìm quan hệ ràng buộc giữa các thông số của quá trình.
Tí h á kế ả ề ặ ă l khi á ì h ả
-
Tí
n
h
c
á
c
kế
t qu
ả
v
ề
m
ặ
t n

ă
ng
l
ượng
khi
qu
á
tr
ì
n
h
x
ả
y ra.
Chú ý: chỉ khảo sát chất môi giới là KLT, các quá trình đều là
cân bằng và đều có tính thuận nghịch.
23
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Qúa trình đa biến
C
n
= const
Xác định nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng dq = C
n
.dT
dq = C
p
.dT – vdp  C
n

.dT = C
p
.dT – vdp

Từ PT nhiệt động thứ nhất đối với KLT
dq = C
v
.dT + pdv

C
n
.dT = C
v
.dT + pdv








vdpdTCC
pn








pdvdTCC
vn
Chia vế theo về của đẳng thức trên:
C
C
pdv
vdp
CC
CC
vn
pn




n
CC
C
C
vn
pn



Đặt
24
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Với KLT, có thể xem Cn, Cp, Cv là các hằng số, nên giá trị n = const.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

d
constn
pdv
v
d
p



 vdp + npdv = 0
Chia 2 vế đẳng thức trên cho tích pv
0
dv
n
d
p

0
v
n
p
p


Lấ
y
tích
p
hân 2 vế ta có
yp

ln p + n.ln v = const

ln (pv
n
) = const

pv
n
= cons
t

p
1/n
v = const
25
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân